(57)【要約】  ガスタービンシステム（１Ａ）は、ガスタービン装置（２）と、冷却流体生成装置（５）とを備えている。ガスタービン装置（２）は、第１シャフト（２２）により互いに連結された第１圧縮機（２１）および第１膨張タービン（２３）と、燃焼器（２６）と、燃料タンク（３０）とを含む。燃料タンク（３０）に貯められた燃料は、燃料循環路（３１）を通じて循環させられる。ガスタービン装置（２）からは、第１圧縮機（２１）により昇圧された作動流体が抜き出される。冷却流体生成装置（５）は、ガスタービン装置（２）から抜き出された作動流体を燃料循環路（３１）を流れる燃料によって冷却する冷却器（５５）と、冷却器（５５）から流出した作動流体を膨張させる第２膨張タービン（５３）とを含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体を圧縮する第１圧縮機、前記第１圧縮機から吐出された作動流体中に燃料を噴射して燃焼させる燃焼器、第１シャフトにより前記第１圧縮機と連結され、前記燃焼器で発生した燃焼ガスを膨張させる第１膨張タービン、および、前記燃焼器に供給される燃料を貯める燃料タンク、を含むガスタービン装置と、
前記燃料タンクに貯められた燃料を循環させる燃料循環路と、
前記ガスタービン装置から抜き出された、前記第１圧縮機により昇圧された作動流体を前記燃料循環路を流れる燃料によって冷却する冷却器、および、前記冷却器から流出した作動流体を膨張させる第２膨張タービン、を含む冷却流体生成装置と、
を備えるガスタービンシステム。
【請求項２】
前記作動流体は、空気であり、
前記第２膨張タービンから吐出された空気の温度を調整する温度調整手段をさらに備える、請求項１に記載のガスタービンシステム。
【請求項３】
前記ガスタービン装置は、前記第１膨張タービンから吐出された燃焼ガスと前記燃焼器に流入する前の空気との間で熱交換を行う再生熱交換器をさらに含み、
前記温度調節手段は、前記第２膨張タービンから吐出された空気に大気中から取り込まれた空気を混合する混合器と、前記混合器から流出する空気と前記再生熱交換器から流出する燃料ガスとの間で熱交換を行う熱交換器とを含む、請求項２に記載のガスタービンシステム。
【請求項４】
前記冷却流体生成装置は、前記第１圧縮機により昇圧された作動流体を前記冷却器に流入する前に圧縮する第２圧縮機をさらに含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスタービンシステム。
【請求項５】
前記第２膨張タービンは、第２シャフトにより前記第２圧縮機と連結されている、請求項４に記載のガスタービンシステム。
【請求項６】
前記燃料タンクには、液体燃料が貯められており、
前記燃料循環路には、前記冷却器よりも上流側から分岐して前記燃焼器に至る分岐路が設けられ、
前記冷却流体生成装置は、前記第２圧縮機から吐出された作動流体によって前記分岐路を流れる燃料を気化する気化器をさらに含む、請求項４または５に記載のガスタービンシステム。
【請求項７】
前記分岐路における前記気化器の下流側には、畜圧器が設けられている、請求項６に記載のガスタービンシステム。
【請求項８】
前記冷却流体生成装置は、前記第２膨張タービンから吐出された作動流体から水分を分離する水分離器をさらに含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載のガスタービンシステム。
【請求項９】
前記燃料タンクに貯められた燃料または前記燃料循環路を流れる燃料を冷却する燃料冷却器をさらに備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載のガスタービンシステム。
【請求項１０】
前記ガスタービンシステムは、車両に搭載されるものであり、
前記燃料冷却器は、前記車両の走行によって生じる風によって燃料を冷却する、請求項９に記載のガスタービンシステム。
【請求項１１】
前記ガスタービン装置は、前記第１シャフトに連結された発電機をさらに含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のガスタービンシステム。
【請求項１２】
前記燃料循環路は、前記発電機を経由するように構成されている、請求項１１に記載のガスタービンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン装置を用いたガスタービンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ガスタービン装置を用いたガスタービンシステムとして、ガスタービン装置で発電する際の排熱を利用して温水等を生成するコジェネレーションシステムが知られている。近年では、発電を行わずに、ガスタービン装置を用いて熱水および冷気を直接生成するガスタービンシステムも提案されている。例えば、特許文献１には、図６に示すようなガスタービンシステム１００が開示されている。【０００３】
このガスタービンシステム１００は、ガスタービン装置を構成する機器として、シャフトにより互いに連結された第１圧縮機１０１および第１膨張タービン１０２と、燃焼器１０３と、再生熱交換器１０４と、熱水用熱交換器１２３とを備えている。第１圧縮機１０１は、大気中から取り込まれた空気を圧縮する。第１圧縮機１０１から吐出された空気は、再生熱交換器１０４を通過した後に、燃焼器１０４に流入する。燃焼器１０４では、燃料が噴射されて燃焼する。燃焼器１０４で発生した燃焼ガスは、再生熱交換器１０４で燃焼器１０４に流入する前の空気を加熱した後に第１膨張タービン１０２に流入し、ここで膨張する。第１膨張タービン１０２は、膨張する燃焼ガスから回転トルクとして動力を取り出し、第１圧縮機１０１を駆動する。第１膨張タービン１０２から吐出された燃焼ガスは、熱水用熱交換器１２３において熱水を生成する熱源として利用された後に大気中に排出される。【０００４】
ガスタービンシステム１００では、ガスタービン装置が発電機を有していないので、ガスタービン装置を起動させるために、起動時に燃焼器１０４に圧縮空気を供給するレシプロ式圧縮機１０５が設けられている。【０００５】
さらに、ガスタービンシステム１００には、ガスタービン装置から第１圧縮機１０１で圧縮された空気を抜き出し、この抜き出した空気（いわゆる抽気）を温度低下させて冷気を生成する構成が採用されている。具体的には、ガスタービン装置から抜き出した空気を冷水によって冷却する第１熱交換器１２１と、第１熱交換器１２１から流出する空気を圧縮する第２圧縮機１１１と、第２圧縮機１１１から吐出された空気を冷水によって冷却する第２熱交換器１２２と、第２熱交換器１２２から流出する空気を膨張させる第２膨張タービン１１２とが設けられている。第２膨張タービン１１２は、シャフトにより第２圧縮機１１１と連結されており、膨張する空気から回転トルクとして動力を取り出し、第２圧縮機１１１を駆動する。また、第２熱交換器１２２と第２膨張タービン１１２との間には、空気から水分を分離する水分離器１１３が設けられている。第１熱交換器１２１および第２熱交換器１２２で空気を冷却することにより加熱された水は、ガスタービン装置の熱水用熱交換器１２３に供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４３２４７１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１に開示されたガスタービンシステム１００では冷気が生成されるので、ガスタービンシステム１００を自動車などの車両に搭載し、ガスタービンシステム１００で生成される冷気を利用して例えば車両の冷房を行うことが考えられる。しかしながら、特許文献１に開示されたガスタービンシステム１００は、冷水が豊富にある環境に設置されることを前提に開発されたものであり、車両へ搭載する場合には冷水を保持する設備が新たに必要になり、小型軽量性が求められる車両への搭載には適していない。【０００８】
本発明は、このような事情に鑑み、車両への搭載に適したガスタービンシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、本発明は、作動流体を圧縮する第１圧縮機、前記第１圧縮機から吐出された作動流体中に燃料を噴射して燃焼させる燃焼器、第１シャフトにより前記第１圧縮機と連結され、前記燃焼器で発生した燃焼ガスを膨張させる第１膨張タービン、および、前記燃焼器に供給される燃料を貯める燃料タンク、を含むガスタービン装置と、前記燃料タンクに貯められた燃料を循環させる燃料循環路と、前記ガスタービン装置から抜き出された、前記第１圧縮機により昇圧された作動流体を前記燃料循環路を流れる燃料によって冷却する冷却器、および、前記冷却器から流出した作動流体を膨張させる第２膨張タービン、を含む冷却流体生成装置と、を備えるガスタービンシステムを提供する。
【発明の効果】
【００１０】
前記の構成によれば、燃料を利用して作動流体を冷却することにより、作動流体以外の入力を必要としないシステムとすることができる。従って、本発明によれば、車両への搭載に適したガスタービンシステムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係るガスタービンシステムの構成図
【図２】変形例のガスタービンシステムの構成図
【図３】本発明の第２実施形態に係るガスタービンシステムの構成図
【図４】変形例のガスタービンシステムの構成図
【図５】他の変形例のガスタービンシステムの構成図
【図６】従来のガスタービンシステムの構成図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態に係るガスタービンシステム１Ａを示す。このガスタービンシステム１Ａは、車両（図示せず）に搭載されるものであり、ガスタービン装置２と、冷却流体生成装置５と、空調ユニット６と、消音器を兼ねる熱交換器７とを備えている。本実施形態では、ガスタービン装置２および冷却流体生成装置５の作動流体として、空気が用いられており、冷却流体生成装置５で生成された冷気が直接空調に利用されるようになっている。
【００１４】
ガスタービン装置２は、第１シャフト２２により互いに連結された第１圧縮機２１および第１膨張タービン２３と、燃焼器２６と、再生熱交換器２７とを含む。本実施形態では、ガスタービン装置２の熱効率を向上させる観点から、再生熱交換器２７が設けられているが、再生熱交換器２７は設けられていなくてもよい。さらに、ガスタービン装置２は、第１シャフト２２に連結された発電機２４と、発電機２４に接続された、インバータなどを含む制御回路２５と、燃焼器２６に供給される燃料を貯める燃料タンク３０とを含む。
【００１５】
第１圧縮機２１は、大気中から取り込まれた空気を吸入して圧縮する。発電機２４は、起動時に電動機として用いられて、第１シャフト２２を回転することにより第１圧縮機２１を駆動する。第１圧縮機２１から吐出された高圧の空気は、再生熱交換器２７に流入し、ここで後述する燃焼ガスにより加熱されてさらに温度を上昇させた後に、燃焼器２６に流入する。
【００１６】
燃焼器２６では、高圧の空気中に燃料タンク３０から後述する燃料循環路３１を経由して燃料が噴射されて、混合気が形成される。燃焼器１０４内に噴射された燃料は、図略のスパーク電極で点火されて燃焼する。これにより、混合気が、圧力をほぼ維持したまま高温の燃焼ガスとなる。
【００１７】
燃焼器２６で発生した燃焼ガスは、第１膨張タービン２３に流入し、ここで膨張して大気圧程度まで圧力を減少させる。第１膨張タービン２３は、膨張する燃焼ガスから回転トルクとして動力を取り出し、第１圧縮機２１を駆動するとともに、余剰動力を発電機２４に与える。これにより、発電機２４で発電が行われる。第１膨張タービン２３から吐出された燃焼ガスは、再生熱交換器２７に流入する。再生熱交換器２７では、燃焼ガスと燃焼器２６に流入する前の高圧の空気との間で熱交換が行われ、燃焼ガスの温度が低下する。再生熱交換器２７から流出した燃焼ガスは、熱交換器７に流入し、ここで後述する調整空気によって冷却されてさらに温度を低下させた後に、大気中に排出される。
【００１８】
燃料タンク３０には、燃料タンク３０に貯められた燃料を循環させる、圧送ポンプ３１ａが設けられた燃料循環路３１の両端が接続されている。本実施形態では、燃料タンク３０に液体燃料が貯められている。ただし、燃料タンク３０には気体燃料が貯められていてもよい。液体燃料を用いた場合は、燃料タンク３０の容積を小さくできるメリットがあり、気体燃料を用いた場合は、燃焼器２６への燃料噴射機構等を簡易にできるメリットがある。液体燃料としては、ガソリンやディーゼル油（特に、第二世代バイオディーゼル油）などの従来から使用されている石油由来の既存燃料を使用してもよいが、メタノールやエタノールなどのアルコール燃料、またはアルコール燃料を含有するアルコール系混合燃料が好適である。気体燃料としては、例えばＣＮＧ（Compressed Natural Gas）、プロパン（ＬＰＧ：Liquefied Petroleum Gas）、ＭＴＢＥ（Methyl Tertiary Butyl Ether）、水素などを用いることができる。
【００１９】
上記した液体燃料ならびに気体燃料の燃料種物性を表１に示す。（American PetroleumInstitute (API), Alcohols and Ethers, Publication No. 4261, 3rd ed. (Washington, DC, June 2001), Table 2.およびPetroleum Product Surveys: Motor Gasoline, Summer 1986, Winter 1986/1987. National Institute for Petroleum and Energy Research.およびAmerican Petroleum Institute (API), Alcohols and Ethers, Publication No. 4261, 3rd ed. (Washington, DC, June 2001), Table B-1.より引用した。また、引用にあたり、ｆｔ／ｌｂ単位系をＳＩ単位系に換算した。）
【００２０】
【表１】
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【００２１】
燃料循環路３１は、ガスタービン装置２の外側に、燃料が流れるルートを形成するためのものであり、冷却流体生成装置５を経由している。燃料タンク３０内の燃料の温度は、通常は大気温度と同程度である。そして、この燃料は、冷却流体生成装置５において熱を奪う熱媒体として使用される。このため、燃料循環路３１には、燃料のオーバーヒートを防止する手段として、当該燃料循環路３１を流れる燃料を冷却する燃料冷却器３２が設けられている。本実施形態の燃料冷却器３２は、車両の走行によって生じる風Ｗによって燃料を冷却する構成を有している。燃料冷却器３２は、燃料タンク３０のすぐ下流側または圧送ポンプ３１ａのすぐ下流側であって風Ｗが導入し易い場所に定置されることが好ましい。なお、燃料タンク３０の容量によっては、燃料冷却器３２は省略可能である。
【００２２】
本実施形態では、燃料循環路３１は、制御回路２５および発電機２４をも経由するように構成されている。このため、制御回路２５および発電機２４は、燃料循環路３１を流れる燃料によって冷却される。なお、燃料冷却器３２は、図例のように発電機２４および制御回路２５の上流側に配置されていることが好ましい。
【００２３】
冷却流体生成装置５は、第２シャフト５２により互いに連結された第２圧縮機５１および第２膨張タービン５３と、冷却器５５と、水分離器５６とを含む。さらに、冷却流体生成装置５は、第２シャフト５２に連結された発電機５４を含む。
【００２４】
第２圧縮機５１には、第１圧縮機２１により昇圧された空気をガスタービン装置２から抜き出すための抽気路４の一端が接続されている。本実施形態では、抽気路４の他端が第１圧縮機２１の中間圧力位置に接続されており、第１圧縮機２１による圧縮途中の空気が抽気路４を通じて第２圧縮機２１に供給されるようになっている。
【００２５】
抽気路４には、流量調整弁４１が設けられている。この流量調整弁４１は、抽気路４を通じてガスタービン装置２から抜き出された、第１圧縮機２１により昇圧された空気（以下、単に「抽気」ともいう。）の温度が、第２圧縮機２２の圧力比に基づいて決定される所定の温度となったときに開放される。
【００２６】
第２圧縮機５１は、抽気を吸入して圧縮する。発電機５４は、起動時に電動機として用いられて、第２シャフト５２を回転することにより第２圧縮機５１を駆動する。第２圧縮機５１から吐出された高圧の空気は、冷却器５５に流入する。冷却器５５では、高圧の空気と燃料循環路３１を流れる燃料との間で熱交換が行われ、燃料によって高圧の空気が冷却される。
【００２７】
冷却器５５から流出した高圧の空気は、第２膨張タービン５３に流入し、ここで膨張して大気圧程度まで圧力を減少させる。この第２膨張タービン５３での膨張により、冷気（冷却流体）が生成される。第２膨張タービン５３は、膨張する空気から回転トルクとして動力を取り出し、第２圧縮機５１を駆動するとともに、余剰動力を発電機５４に与える。これにより、発電機５４で発電が行われる。なお、作動条件によって余剰動力がない場合は、発電機５４を電動機としてのみ用いることも可能である。第２膨張タービン５３から吐出された空気は、水分離器５６を通過した後に、空調ユニット６に送られる。水分離器５６は、第２膨張タービン５３から吐出された空気から水分を分離する。
【００２８】
空調ユニット６は、水分離機器５６を介して第２膨張タービン５３と接続された混合器６２と、大気中から空気を取り込んで混合器６２に供給するためのブロア６１とを含む。第２膨張タービン５３から吐出された空気は、混合器６２においてブロア６１から供給された空気と混合されて、所望の温度に調整され、この調整空気が熱交換器７に送られる。ただし、冷房時には、空調ユニット６で空調要求温度に応じた温度に調整した調整空気を、熱交換器７を経由せずに図略の車室内に直接供給してもよい。
【００２９】
熱交換器７は、混合器６２から流出した調整空気と上述した再生熱交換器２７から流出した燃焼ガスとの間で熱交換を行うことにより、混合器６２から流出した調整空気を空調に適した温度に加熱する。そして、熱交換器７で加熱された空気は、図略の車室内に供給される。
【００３０】
このように、本実施形態では、空調ユニット６の混合器６２と熱交換器７によって、第２膨張タービン５６から吐出された空気の温度を調整する温度調整手段が構成されている。
【００３１】
上述したガスタービンシステム１Ａの動作を燃料側から見ると、燃料循環路３１には、圧送ポンプ３１ａにより、燃焼器２６で燃焼に必要となる流量よりも十分に大きな流量の燃料が流される。また、燃料循環路３１を流れる燃料の流量は、制御回路２５、発電機２４、および冷却器５５で必要な冷却熱量から、燃料の温度上昇が適度な値となるように決定される。燃料循環路３１を流れる燃料は、燃料タンク３０から冷却器５５に送られる途中で制御回路２５および発電機２４で加熱され、さらに冷却器５５で加熱された後に燃料タンク３０に戻される。なお、燃料循環路３１を流れる燃料の一部は、冷却器５５から燃料タンク３０に戻る途中で燃焼器２６に供給される。
【００３２】
本実施形態では、燃料循環路３１を流れる燃料の一部が燃焼器２６に供給されるので、圧送ポンプ３１ａが燃料を噴射可能な圧力まで昇圧する。ただし、燃料循環路３１から燃焼器２６に燃料を導く流路に噴射ポンプを設け、圧送ポンプ３１ａで昇圧する圧力を小さくすることも可能である。
【００３３】
燃焼器２６における燃料の燃焼は、燃料と空気との混合気が燃焼に適した温度になってから起こる。本実施形態では、制御回路２５、発電機２４および冷却器５５で加熱された燃料が燃焼器２６に供給されるので、その加熱による温度上昇分、燃焼器２６において混合気を適温まで加熱するのに要する熱量を少なくすることができる。
【００３４】
次に、一例として、燃料としてエタノールを用いた場合の動作点を示す。前提条件は、大気温度１５℃、大気圧０．１０３ＭＰａであり、エタノールの燃料種物性は表１に示した値を用いている。
【００３５】
燃料は化学的なエネルギーを内蔵しているが、そのエネルギーはそのままでは利用することができない。そこで、燃料を燃焼することにより化学的エネルギーを熱エネルギーに変換し、その熱エネルギーを有効に利用している。
【００３６】
ある一定の状態（例えば、１気圧、２５℃）に置かれた単位量（１ｋｇ、１ｍ3、１Ｌ）の燃料を、必要十分な乾燥空気量で完全燃焼させ、その燃焼ガスを元の温度（この場合２５℃）まで冷却したときに計測される熱量を発熱量という。
【００３７】
燃焼ガス中の生成水蒸気が凝縮したときに得られる凝縮潜熱を含めた発熱量を高位発熱量といい、水蒸気のままで凝縮潜熱を含まない発熱量を低位発熱量という。低位発熱量は熱量計で測定された高位発熱量から水蒸気の凝縮潜熱を差し引いたものであり、次の（式１）で算出する。以下で説明するガスタービン装置２の発電機側の熱効率は、水蒸気の凝集潜熱を除いた低位発熱量から計算したものである。
低位発熱量＝高位発熱量−水蒸気の凝縮潜熱×水蒸気量・・・（式１）
【００３８】
ガスタービン装置２については、第１圧縮機２１出口温度が約１９０℃、再生熱交換器２７一次側出口温度が約８１０℃、燃焼器２６出口温度が約１２００℃、第１膨張タービン２３出口温度が約９１０℃、再生熱交換器２７二次側出口温度が約３４０℃である。第１膨張タービン２３で約０．３８ＭＰａから約０．１１ＭＰａに圧力降下させると、発電量は１８ｋＷとなる。
【００３９】
冷却流体生成装置５については、抽気温度が約１００℃、第２圧縮機５１出口温度が約１６０℃、冷却器５５出口温度が約６５℃、第２膨張タービン５３出口温度が約３．０℃である。第１膨張タービン２３で約０．３３ＭＰａから約０．１２ＭＰａに圧力降下させると、発電量は１．６ｋＷとなる。
【００４０】
燃料については、０．４ＭＰａで圧送され、冷却器５５入口温度が約２５℃、冷却器５５出口温度が約３２℃である。
【００４１】
上記では液体燃料としてエタノールを用いた場合の動作点の計算結果を示したが、他の燃料へ変更することができる。
【００４２】
一般にガスタービンシステムは、要求出力（発電機２４の発電量）が等しくなるように設計する。この場合には、ガスタービン装置２の発熱量がエタノールの場合と同じになるように、燃料の燃焼器２６への供給流量を制御することで、発電機２４の発電量を維持する。一例として、燃料をエタノールからディーゼル油（Ｃ２５）に変更する場合には、表１の低位発熱量から換算し、燃料供給量をエタノールの場合の０．７０になるように制御すればよい。
【００４３】
上記したように、単位時間当たりのガスタービン装置２に供給する燃料の発熱量が等しくなるように設定し、かつ、ガスタービン装置２への大気吸入量についても同じになるように設定することで発電機２４の発電量と、冷却流体生成装置５への抽気の温度を維持することができる。
【００４４】
冷却流体生成装置５における抽気冷却の温度制御は、冷却流体生成装置５内に循環する燃料流量によって熱伝達率を制御することで行うことができる。
【００４５】
次に、上記検討結果に基づき、電気自動車ならびに保冷車（中温：−５〜５℃）を構成する各要素に要求される能力について、例を挙げて検討する。なお、燃料としてはエタノールを使用するものとする。
【００４６】
（設計例１：電気自動車）
冷房空調能力：吹き出し量３５０ｍ3／ｈ、４５００Ｗ
暖房空調能力：吹き出し量４５０ｍ3／ｈ、５０００Ｗ
発電機定格出力：１５ｋＷ
設計例１では、電気自動車(１５００〜２０００ｃｃクラスの乗用車相当)の二次電池搭載量を１６ｋＷｈとし、この二次電池を１時間程で充電することを条件に、発電機定格出力を１５ｋＷとした。また、空調能力としては、冷房時は吹き出し空気量が３５０ｍ3／ｈで冷房能力４５００Ｗ、暖房時は吹き出し空気量が４５０ｍ3／ｈで暖房能力５０００Ｗである。
【００４７】
この場合、ガスタービン装置２の作動流体流量（第１圧縮機２１吸入流量）は、最小で０．１３５ｋｇ／ｓｅｃとなる。
【００４８】
また、総排気量が３０００ｃｃのトラックに上記結果を適用すると、発電機定格出力は約２倍の３０ｋＷであり、ガスタービン装置２の作動流体流量（第１圧縮機２１吸入流量）は、最小で０．２７ｋｇ／ｓｅｃとなる。
【００４９】
上記検討結果から、本実施形態のガスタービンシステム１Ａを電気自動車に適用可能であることが分かる。
【００５０】
（設計例２：中温用の保冷車）
冷凍能力：０℃、３０００Ｗ
発電機定格出力：３０ｋＷ
設計例２では、保冷車の保冷庫の空調への適用を検討する。上記したように設計例１で挙げた乗用車よりも空調能力（冷凍能力）が小さい。これは乗用車と較べて保冷庫の断熱性が良いこと、窓がないことによる日射量の影響がないためである。
【００５１】
保冷車を総排気量は３０００ｃｃ相当のトラックとすると、積載能力から考えて走行条件は乗用車よりも厳しくなり、電力消費が増大することが予想されるため、発電出力も増大させる必要がある。この場合、発電機定格出力３０ｋＷとし、ガスタービン装置２の作動流体流量（第１圧縮機２１吸入流量）０．２７ｋｇ／ｓｅｃとすることで、本実施形態のガスタービンシステム１Ａを保冷車に適用できることが分かる。
【００５２】
以上説明したように、本実施形態のガスタービンシステム１Ａでは、ガスタービン装置２から抜き出した抽気を燃料を用いて冷却することで、小型のシステムで冷熱を生成することができる。特に、本実施形態では、ガスタービン装置２に発電機２４があり、第２膨張タービン５６から吐出された空気の温度が温度調整手段（混合器６２および熱交換器７）で調整されるので、発電しながら空調を行うことができる。従って、ガスタービンシステム１Ａを例えば電気自動車に搭載すれば、電池への充電と空調の双方を実現することができる。
【００５３】
ところで、電気自動車などでは、効率的な暖房を行うために、車室内の空気を循環させながら加熱することが提案されている。しかし、車室内の空気には乗員から発生した水分が含まれているため、空気を循環させながら暖房を行うと、窓が曇ることがある。これに対し、本実施形態では、水分離器５６により除湿された空気が車室内に供給されるので、暖房時でも窓の曇りを防止でき、運転手の視界を確保することができる。また、図２に示すように、ガスタービン装置２に車室内の空気を取り込むための流路２０を設け、大気中の空気と車室内の空気とを混合させた混合気を第１圧縮機２１に吸入させることも可能である。このような構成にすれば、車室内の空気を除湿しながら暖房を行うこともできる。
【００５４】
また、図２の第１圧縮機２１へ車外の大気を取り込むための流路に図示しない流量調整弁を設けるとともに、流路２０に図示しない流量調整弁を設けることで、車外から取り込む大気の流量と車室内から取り込む空気の流量を調整することができる。かかる構成とすることで、大気温度と車室内の温度や湿度に基づいて２つの流量調整弁の開度を調整し、車室内空気の除湿を速やかに行うことができる。
【００５５】
（第２実施形態）
次に、図３を参照して、本発明の第２実施形態に係るガスタービンシステム１Ｂを説明する。なお、本実施形態では、第１実施形態と同一構成部分には同一符号を付して、その説明を省略する。
【００５６】
本実施形態では、燃料タンク３０に液体燃料が貯められており、燃料循環路３１に冷却器５５よりも上流側から分岐して燃焼器２６に至る分岐路３４が設けられている。具体的には、燃料循環路３１の冷却器５５よりも上流側に分配弁３３が設けられており、この分配弁３３に分岐路３４の上流端が接続されている。
【００５７】
本実施形態で使用される燃料は、大気圧下での沸点が低く、かつ過熱（スーパーヒート）時の蒸気圧力が高い燃料が好ましい。具体的には、ガスタービン装置２の熱効率、第２圧縮機５１の圧力比、および十分な燃料蒸気圧力を得るための必要過熱温度の観点から、メタノールやエタノールなどのアルコール燃料、またはアルコール燃料を含有するアルコール系混合燃料が好適である。ただし、上記の選定条件を満足する燃料であれば、ガソリンやディーゼル油などの従来から使用されている石油由来の既存燃料を使用してもよい。しかしながら、アルコール燃料は、石油由来の既存燃料よりも蒸発熱が大きく、抽気を冷却する能力が高いために、本実施形態にはアルコール燃料またはアルコール系混合燃料が特に好ましい。
【００５８】
また、冷却流体生成装置５には、冷却器５５よりも上流側に、第２圧縮機５１から吐出された空気によって分岐路３４を流れる燃料を気化する気化器５７が設けられている。
【００５９】
さらに、分岐路３４には、気化器５７よりも下流側に、畜圧器３５と流量調整弁３６がこの順に設けられている。
【００６０】
次に、ガスタービンシステム１Ｂの動作を説明する。ガスタービン装置２の動作は、第１実施形態で説明した動作と同様である。
【００６１】
冷却流体生成装置５の動作は、次の２点を除き、第１実施形態で説明した動作と同様である。１点目は、第２圧縮機５１から吐出された空気が気化器５７に流入し、ここで分岐路３４を流れる燃料との熱交換により冷却される点である。２点目は、流量調整弁４１が、抽気の温度が第２圧縮機２２の圧力比および燃料の蒸発温度に基づいて決定される所定の温度となったときに開放される点である。
【００６２】
燃料循環路３１を流れる燃料は、分配弁３３により、冷却器５５を通って燃料タンク３０に戻る循環側と、気化器５７を通って燃焼器２６に供給される燃焼側とに分配される。燃焼側へ分配される流量は、燃焼器２６で燃焼に必要となる流量と同等またはそれよりも僅かに多い程度である。循環側へ分配される流量は、特に制限はなく、大流量とすることが可能である。このように分配率を決定することにより、小流量の燃料を速やかに気化させ、かつ、蒸気圧力を過熱状態まで高圧化できるとともに、畜圧器３５に必要な容積を最小限化することができる。
【００６３】
循環側へ分配された燃料は、冷却器５５で加熱された後に燃料タンク３０に戻される。一方、燃料側へ分配された燃料は、気化器５７に流入する。気化器５７では、第２圧縮機５１から吐出された高圧の空気との熱交換によって燃料が気化し、さらに温度上昇して過熱状態になる。換言すれば、燃料は、蒸発熱により、第２圧縮機５１から吐出された高圧の空気の温度を低下させる。気化器５７から流出した燃料は、いったん畜圧器３５に留められ、流量調整弁３６の設定に応じて、燃料自身の蒸気圧力により燃焼器２６内の圧力に抗して燃焼器２６内に流入する。
【００６４】
一般のガスタービン装置では液体燃料、気体燃料に依らず、燃料をポンプまたはコンプレッサで噴射可能な圧力まで昇圧して燃焼器に供給している。これに対し、本実施形態のガスタービンシステム１Ｂでは、燃料をポンプで噴射可能な圧力まで昇圧する必要はなく、燃料のガス化によって燃料を噴射可能な圧力まで昇圧することができる。すなわち、燃料噴射のための圧力源として、冷気流体生成装置５の気化器５７において空気から放出される熱を用いている。このような構成とすることで、開閉弁などの単純な機器で燃料噴射を実施することができる。
【００６５】
次に、一例として、燃料としてエタノール（大気圧下での沸点：７８℃）を用いた場合の動作点を示す。前提条件は、大気温度１５℃、大気圧０．１０３ＭＰａであり、エタノールの燃料種物性は表１に示した値を用いている。
【００６６】
ガスタービン装置２については、第１実施形態と同じである。冷却流体生成装置５については、気化器５７出口温度が約１２０℃である点を除き、第１実施形態と同じである。
【００６７】
燃料については、０．４ＭＰａで圧送され、冷却器５５および気化器５７入口温度が約２５℃、冷却器５５出口温度が約２６℃、気化器５７出口温度が約１２０℃である。分配率は、循環側が約９９％、燃焼側が約１％である。
【００６８】
なお、上述したように、本実施形態のガスタービンシステム１Ｂでは、第１実施形態のガスタービンシステム１Ａと同程度の出力が得られるので、第１実施形態で説明した設計例１および設計例２と同様に、電気自動車または保冷車に適用可能であることは言うまでもない。
【００６９】
本実施形態のガスタービンシステム１Ｂでは、燃料の潜熱を利用してガスタービン装置２から抜き出した抽気を冷却しているので、第１実施形態で気体燃料を用いた場合のような熱伝達率の低い気体対気体で熱交換する場合よりも小型の熱交換器を用いることができる。
【００７０】
また、燃料タンク３０に液体燃料を貯めつつも、気化した燃料を燃焼器２６に供給することができるため、燃料タンク３０の容積を小さくできる液体燃料のメリットと、燃焼器２６への燃料噴射機構等を簡易にできる気体燃料のメリットの双方を得ることができる。さらには、圧送ポンプ３１ａで燃料を燃焼器２６へ噴射可能な圧力まで昇圧する必要がないので、第１実施形態に比べて圧送ポンプ３１ａ動力を小さくすることができる。例えば、燃料としてエタノールを用いた場合、第１実施形態では１００Ｗ程度必要となる圧送ポンプ３１ａの動力を２２．５Ｗまで低減することができる。
【００７１】
また、ガスタービン装置２にて発電を行わない、すなわち燃料を燃焼させる必要がない場合であっても空調が必要なときは、分配弁３３による分配比を燃焼側を０％、循環側を１００％とすれば、不要な気化燃料の生成を停止させることができる。
【００７２】
＜変形例＞
前記第２実施形態では、抽気路４の他端が第１圧縮機２１の中間圧力位置に接続されている。ガスタービン装置２の熱効率を向上させるためには、第１圧縮機２１の動力を低減させることが有効である。これを実現するには、第１圧縮機２１による圧縮途中の空気を抜き出して抽気とすることが好ましい。
【００７３】
一方で、冷却流体生成装置５において第２膨張タービン５３から吐出される空気をより低温下するためには、第２圧縮機５１から吐出される空気の圧力が高い方が好ましい。このことから、ガスタービン装置２の熱効率よりも冷却流体生成装置５の冷気生成能力を重視する場合には、第１圧縮機２１による圧縮完了後の空気を抜き出して抽気としてもよい。具体的には、図４に示すように、抽気路４の他端（上流端）を第１圧縮機２１と再生熱交換器２７の間の流路に接続すればよい。
【００７４】
また、前記第２実施形態では、燃料側の熱伝達率を考慮して燃料循環路３１に燃料冷却器３２を設けている。ただし、燃料循環量が多量であるために燃料タンク３０内においても燃料流速が大きく、かつ、燃料タンク３０近傍に車両の走行によって生じる風Ｗを取り込める場合には、図５に示すように、燃料冷却器３２は、燃料タンク３０に貯められた燃料を冷却するように燃料タンク３０に設けられていてもよい。
【００７５】
なお、図４および図５に示す変形例は、第１実施形態にも適用可能である。
【００７６】
（その他の実施形態）
前記実施形態のガスタービンシステム１Ａ，１Ｂは、第２膨張タービン５６から吐出された空気の温度を混合器６２および熱交換器７で調整しているが、第２膨張タービン５６から吐出された空気の温度を調整する温度調整手段はこれに限られない。例えば、温度調整手段は、抽気路４にバイパス路を設け、抽気と第２膨張タービン５６から吐出された空気とを混合させる構成であってもよい。
【００７７】
また、温度調整手段を省略し、第２膨張タービン５６から吐出された空気を冷凍などの用途に直接利用することも可能である。あるいは、作動流体として空気を使用しない場合には、第２膨張タービン５６から吐出された作動流体を種々の用途の熱交換器に流入させてもよい。
【００７８】
前記実施形態では、第２膨張タービン５３が第２シャフト５２により第２圧縮機５１と連結されていたが、第２シャフト５２を分割し、第２圧縮機５１側に電動機、第２膨張タービン５３側に発電機を設け、第２圧縮機５１および第２膨張タービン５３をそれぞれ適した回転数で回転させることも可能である。
【００７９】
さらには、ガスタービン装置２から抜き出される空気の圧力が十分に高い場合は、第２圧縮機５１を省略することも可能である。ただし、第２圧縮機５１が在れば、第２膨張タービン５３における膨張比を高く確保することができる。
【００８０】
また、前記実施形態では、燃料冷却器３２が車両の走行によって生じる風によって燃料を冷却する構成を有していたが、ガスタービンシステム１Ａ，１Ｂが車両に搭載されない場合には、燃料冷却器３２は例えばファンなどであってもよい。
【００８１】
前記実施形態のガスタービンシステム１Ａ，１Ｂは、燃料以外は作動流体さえあれば冷熱を生成できるため、小型化が可能である。従って、車両の搭載に適しているだけでなく、定置式としても有用である。そして、ガスタービンシステム１Ａ，１Ｂの用途によっては、ガスタービン装置２が発電機２４を有していなくてもよい。
【図１】
2011152049.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年1月20日(2012.1.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン装置を用いたガスタービンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ガスタービン装置を用いたガスタービンシステムとして、ガスタービン装置で発電する際の排熱を利用して温水等を生成するコジェネレーションシステムが知られている。近年では、発電を行わずに、ガスタービン装置を用いて熱水および冷気を直接生成するガスタービンシステムも提案されている。例えば、特許文献１には、図６に示すようなガスタービンシステム１００が開示されている。
【０００３】
このガスタービンシステム１００は、ガスタービン装置を構成する機器として、シャフトにより互いに連結された第１圧縮機１０１および第１膨張タービン１０２と、燃焼器１０３と、再生熱交換器１０４と、熱水用熱交換器１２３とを備えている。第１圧縮機１０１は、大気中から取り込まれた空気を圧縮する。第１圧縮機１０１から吐出された空気は、再生熱交換器１０４を通過した後に、燃焼器１０３に流入する。燃焼器１０３では、燃料が噴射されて燃焼する。燃焼器１０３で発生した燃焼ガスは、再生熱交換器１０４で燃焼器１０３に流入する前の空気を加熱した後に第１膨張タービン１０２に流入し、ここで膨張する。第１膨張タービン１０２は、膨張する燃焼ガスから回転トルクとして動力を取り出し、第１圧縮機１０１を駆動する。第１膨張タービン１０２から吐出された燃焼ガスは、熱水用熱交換器１２３において熱水を生成する熱源として利用された後に大気中に排出される。
【０００４】
ガスタービンシステム１００では、ガスタービン装置が発電機を有していないので、ガスタービン装置を起動させるために、起動時に燃焼器１０３に圧縮空気を供給するレシプロ式圧縮機１０５が設けられている。
【０００５】
さらに、ガスタービンシステム１００には、ガスタービン装置から第１圧縮機１０１で圧縮された空気を抜き出し、この抜き出した空気（いわゆる抽気）を温度低下させて冷気を生成する構成が採用されている。具体的には、ガスタービン装置から抜き出した空気を冷水によって冷却する第１熱交換器１２１と、第１熱交換器１２１から流出する空気を圧縮する第２圧縮機１１１と、第２圧縮機１１１から吐出された空気を冷水によって冷却する第２熱交換器１２２と、第２熱交換器１２２から流出する空気を膨張させる第２膨張タービン１１２とが設けられている。第２膨張タービン１１２は、シャフトにより第２圧縮機１１１と連結されており、膨張する空気から回転トルクとして動力を取り出し、第２圧縮機１１１を駆動する。また、第２熱交換器１２２と第２膨張タービン１１２との間には、空気から水分を分離する水分離器１１３が設けられている。第１熱交換器１２１および第２熱交換器１２２で空気を冷却することにより加熱された水は、ガスタービン装置の熱水用熱交換器１２３に供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４３２４７１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１に開示されたガスタービンシステム１００では冷気が生成されるので、ガスタービンシステム１００を自動車などの車両に搭載し、ガスタービンシステム１００で生成される冷気を利用して例えば車両の冷房を行うことが考えられる。しかしながら、特許文献１に開示されたガスタービンシステム１００は、冷水が豊富にある環境に設置されることを前提に開発されたものであり、車両へ搭載する場合には冷水を保持する設備が新たに必要になり、小型軽量性が求められる車両への搭載には適していない。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑み、車両への搭載に適したガスタービンシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、本発明は、作動流体を圧縮する第１圧縮機、前記第１圧縮機から吐出された作動流体中に燃料を噴射して燃焼させる燃焼器、第１シャフトにより前記第１圧縮機と連結され、前記燃焼器で発生した燃焼ガスを膨張させる第１膨張タービン、および、前記燃焼器に供給される燃料を貯める燃料タンク、を含むガスタービン装置と、前記燃料タンクに貯められた燃料を循環させる燃料循環路と、前記ガスタービン装置から抜き出された、前記第１圧縮機により昇圧された作動流体を前記燃料循環路を流れる燃料によって冷却する冷却器、および、前記冷却器から流出した作動流体を膨張させる第２膨張タービン、を含む冷却流体生成装置と、を備えるガスタービンシステムを提供する。
【発明の効果】
【００１０】
前記の構成によれば、燃料を利用して作動流体を冷却することにより、作動流体以外の入力を必要としないシステムとすることができる。従って、本発明によれば、車両への搭載に適したガスタービンシステムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係るガスタービンシステムの構成図
【図２】変形例のガスタービンシステムの構成図
【図３】本発明の第２実施形態に係るガスタービンシステムの構成図
【図４】変形例のガスタービンシステムの構成図
【図５】他の変形例のガスタービンシステムの構成図
【図６】従来のガスタービンシステムの構成図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態に係るガスタービンシステム１Ａを示す。このガスタービンシステム１Ａは、車両（図示せず）に搭載されるものであり、ガスタービン装置２と、冷却流体生成装置５と、空調ユニット６と、消音器を兼ねる熱交換器７とを備えている。本実施形態では、ガスタービン装置２および冷却流体生成装置５の作動流体として、空気が用いられており、冷却流体生成装置５で生成された冷気が直接空調に利用されるようになっている。
【００１４】
ガスタービン装置２は、第１シャフト２２により互いに連結された第１圧縮機２１および第１膨張タービン２３と、燃焼器２６と、再生熱交換器２７とを含む。本実施形態では、ガスタービン装置２の熱効率を向上させる観点から、再生熱交換器２７が設けられているが、再生熱交換器２７は設けられていなくてもよい。さらに、ガスタービン装置２は、第１シャフト２２に連結された発電機２４と、発電機２４に接続された、インバータなどを含む制御回路２５と、燃焼器２６に供給される燃料を貯める燃料タンク３０とを含む。
【００１５】
第１圧縮機２１は、大気中から取り込まれた空気を吸入して圧縮する。発電機２４は、起動時に電動機として用いられて、第１シャフト２２を回転することにより第１圧縮機２１を駆動する。第１圧縮機２１から吐出された高圧の空気は、再生熱交換器２７に流入し、ここで後述する燃焼ガスにより加熱されてさらに温度を上昇させた後に、燃焼器２６に流入する。
【００１６】
燃焼器２６では、高圧の空気中に燃料タンク３０から後述する燃料循環路３１を経由して燃料が噴射されて、混合気が形成される。燃焼器２６内に噴射された燃料は、図略のスパーク電極で点火されて燃焼する。これにより、混合気が、圧力をほぼ維持したまま高温の燃焼ガスとなる。
【００１７】
燃焼器２６で発生した燃焼ガスは、第１膨張タービン２３に流入し、ここで膨張して大気圧程度まで圧力を減少させる。第１膨張タービン２３は、膨張する燃焼ガスから回転トルクとして動力を取り出し、第１圧縮機２１を駆動するとともに、余剰動力を発電機２４に与える。これにより、発電機２４で発電が行われる。第１膨張タービン２３から吐出された燃焼ガスは、再生熱交換器２７に流入する。再生熱交換器２７では、燃焼ガスと燃焼器２６に流入する前の高圧の空気との間で熱交換が行われ、燃焼ガスの温度が低下する。再生熱交換器２７から流出した燃焼ガスは、熱交換器７に流入し、ここで後述する調整空気によって冷却されてさらに温度を低下させた後に、大気中に排出される。
【００１８】
燃料タンク３０には、燃料タンク３０に貯められた燃料を循環させる、圧送ポンプ３１ａが設けられた燃料循環路３１の両端が接続されている。本実施形態では、燃料タンク３０に液体燃料が貯められている。ただし、燃料タンク３０には気体燃料が貯められていてもよい。液体燃料を用いた場合は、燃料タンク３０の容積を小さくできるメリットがあり、気体燃料を用いた場合は、燃焼器２６への燃料噴射機構等を簡易にできるメリットがある。液体燃料としては、ガソリンやディーゼル油（特に、第二世代バイオディーゼル油）などの従来から使用されている石油由来の既存燃料を使用してもよいが、メタノールやエタノールなどのアルコール燃料、またはアルコール燃料を含有するアルコール系混合燃料が好適である。気体燃料としては、例えばＣＮＧ（Compressed Natural Gas）、プロパン（ＬＰＧ：Liquefied Petroleum Gas）、ＭＴＢＥ（Methyl Tertiary Butyl Ether）、水素などを用いることができる。
【００１９】
上記した液体燃料ならびに気体燃料の燃料種物性を表１に示す。（American Petroleum Institute (API), Alcohols and Ethers, Publication No. 4261, 3rd ed. (Washington, DC, June 2001), Table 2.およびPetroleum Product Surveys: Motor Gasoline, Summer 1986, Winter 1986/1987. National Institute for Petroleum and Energy Research.およびAmerican Petroleum Institute (API), Alcohols and Ethers, Publication No. 4261, 3rd ed. (Washington, DC, June 2001), Table B-1.より引用した。また、引用にあたり、ｆｔ／ｌｂ単位系をＳＩ単位系に換算した。）
【００２０】
【表１】
2011152049.tif 000010
【００２１】
燃料循環路３１は、ガスタービン装置２の外側に、燃料が流れるルートを形成するためのものであり、冷却流体生成装置５を経由している。燃料タンク３０内の燃料の温度は、通常は大気温度と同程度である。そして、この燃料は、冷却流体生成装置５において熱を奪う熱媒体として使用される。このため、燃料循環路３１には、燃料のオーバーヒートを防止する手段として、当該燃料循環路３１を流れる燃料を冷却する燃料冷却器３２が設けられている。本実施形態の燃料冷却器３２は、車両の走行によって生じる風Ｗによって燃料を冷却する構成を有している。燃料冷却器３２は、燃料タンク３０のすぐ下流側または圧送ポンプ３１ａのすぐ下流側であって風Ｗが導入し易い場所に定置されることが好ましい。なお、燃料タンク３０の容量によっては、燃料冷却器３２は省略可能である。
【００２２】
本実施形態では、燃料循環路３１は、制御回路２５および発電機２４をも経由するように構成されている。このため、制御回路２５および発電機２４は、燃料循環路３１を流れる燃料によって冷却される。なお、燃料冷却器３２は、図例のように発電機２４および制御回路２５の上流側に配置されていることが好ましい。
【００２３】
冷却流体生成装置５は、第２シャフト５２により互いに連結された第２圧縮機５１および第２膨張タービン５３と、冷却器５５と、水分離器５６とを含む。さらに、冷却流体生成装置５は、第２シャフト５２に連結された発電機５４を含む。
【００２４】
第２圧縮機５１には、第１圧縮機２１により昇圧された空気をガスタービン装置２から抜き出すための抽気路４の一端が接続されている。本実施形態では、抽気路４の他端が第１圧縮機２１の中間圧力位置に接続されており、第１圧縮機２１による圧縮途中の空気が抽気路４を通じて第２圧縮機５１に供給されるようになっている。
【００２５】
抽気路４には、流量調整弁４１が設けられている。この流量調整弁４１は、抽気路４を通じてガスタービン装置２から抜き出された、第１圧縮機２１により昇圧された空気（以下、単に「抽気」ともいう。）の温度が、第２圧縮機５１の圧力比に基づいて決定される所定の温度となったときに開放される。
【００２６】
第２圧縮機５１は、抽気を吸入して圧縮する。発電機５４は、起動時に電動機として用いられて、第２シャフト５２を回転することにより第２圧縮機５１を駆動する。第２圧縮機５１から吐出された高圧の空気は、冷却器５５に流入する。冷却器５５では、高圧の空気と燃料循環路３１を流れる燃料との間で熱交換が行われ、燃料によって高圧の空気が冷却される。
【００２７】
冷却器５５から流出した高圧の空気は、第２膨張タービン５３に流入し、ここで膨張して大気圧程度まで圧力を減少させる。この第２膨張タービン５３での膨張により、冷気（冷却流体）が生成される。第２膨張タービン５３は、膨張する空気から回転トルクとして動力を取り出し、第２圧縮機５１を駆動するとともに、余剰動力を発電機５４に与える。これにより、発電機５４で発電が行われる。なお、作動条件によって余剰動力がない場合は、発電機５４を電動機としてのみ用いることも可能である。第２膨張タービン５３から吐出された空気は、水分離器５６を通過した後に、空調ユニット６に送られる。水分離器５６は、第２膨張タービン５３から吐出された空気から水分を分離する。
【００２８】
空調ユニット６は、水分離器５６を介して第２膨張タービン５３と接続された混合器６２と、大気中から空気を取り込んで混合器６２に供給するためのブロア６１とを含む。第２膨張タービン５３から吐出された空気は、混合器６２においてブロア６１から供給された空気と混合されて、所望の温度に調整され、この調整空気が熱交換器７に送られる。ただし、冷房時には、空調ユニット６で空調要求温度に応じた温度に調整した調整空気を、熱交換器７を経由せずに図略の車室内に直接供給してもよい。
【００２９】
熱交換器７は、混合器６２から流出した調整空気と上述した再生熱交換器２７から流出した燃焼ガスとの間で熱交換を行うことにより、混合器６２から流出した調整空気を空調に適した温度に加熱する。そして、熱交換器７で加熱された空気は、図略の車室内に供給される。
【００３０】
このように、本実施形態では、空調ユニット６の混合器６２と熱交換器７によって、第２膨張タービン５３から吐出された空気の温度を調整する温度調整手段が構成されている。
【００３１】
上述したガスタービンシステム１Ａの動作を燃料側から見ると、燃料循環路３１には、圧送ポンプ３１ａにより、燃焼器２６で燃焼に必要となる流量よりも十分に大きな流量の燃料が流される。また、燃料循環路３１を流れる燃料の流量は、制御回路２５、発電機２４、および冷却器５５で必要な冷却熱量から、燃料の温度上昇が適度な値となるように決定される。燃料循環路３１を流れる燃料は、燃料タンク３０から冷却器５５に送られる途中で制御回路２５および発電機２４で加熱され、さらに冷却器５５で加熱された後に燃料タンク３０に戻される。なお、燃料循環路３１を流れる燃料の一部は、冷却器５５から燃料タンク３０に戻る途中で燃焼器２６に供給される。
【００３２】
本実施形態では、燃料循環路３１を流れる燃料の一部が燃焼器２６に供給されるので、圧送ポンプ３１ａが燃料を噴射可能な圧力まで昇圧する。ただし、燃料循環路３１から燃焼器２６に燃料を導く流路に噴射ポンプを設け、圧送ポンプ３１ａで昇圧する圧力を小さくすることも可能である。
【００３３】
燃焼器２６における燃料の燃焼は、燃料と空気との混合気が燃焼に適した温度になってから起こる。本実施形態では、制御回路２５、発電機２４および冷却器５５で加熱された燃料が燃焼器２６に供給されるので、その加熱による温度上昇分、燃焼器２６において混合気を適温まで加熱するのに要する熱量を少なくすることができる。
【００３４】
次に、一例として、燃料としてエタノールを用いた場合の動作点を示す。前提条件は、大気温度１５℃、大気圧０．１０３ＭＰａであり、エタノールの燃料種物性は表１に示した値を用いている。
【００３５】
燃料は化学的なエネルギーを内蔵しているが、そのエネルギーはそのままでは利用することができない。そこで、燃料を燃焼することにより化学的エネルギーを熱エネルギーに変換し、その熱エネルギーを有効に利用している。
【００３６】
ある一定の状態（例えば、１気圧、２５℃）に置かれた単位量（１ｋｇ、１ｍ3、１Ｌ）の燃料を、必要十分な乾燥空気量で完全燃焼させ、その燃焼ガスを元の温度（この場合２５℃）まで冷却したときに計測される熱量を発熱量という。
【００３７】
燃焼ガス中の生成水蒸気が凝縮したときに得られる凝縮潜熱を含めた発熱量を高位発熱量といい、水蒸気のままで凝縮潜熱を含まない発熱量を低位発熱量という。低位発熱量は熱量計で測定された高位発熱量から水蒸気の凝縮潜熱を差し引いたものであり、次の（式１）で算出する。以下で説明するガスタービン装置２の発電機側の熱効率は、水蒸気の凝縮潜熱を除いた低位発熱量から計算したものである。
低位発熱量＝高位発熱量−水蒸気の凝縮潜熱×水蒸気量・・・（式１）
【００３８】
ガスタービン装置２については、第１圧縮機２１出口温度が約１９０℃、再生熱交換器２７一次側出口温度が約８１０℃、燃焼器２６出口温度が約１２００℃、第１膨張タービン２３出口温度が約９１０℃、再生熱交換器２７二次側出口温度が約３４０℃である。第１膨張タービン２３で約０．３８ＭＰａから約０．１１ＭＰａに圧力降下させると、発電量は１８ｋＷとなる。
【００３９】
冷却流体生成装置５については、抽気温度が約１００℃、第２圧縮機５１出口温度が約１６０℃、冷却器５５出口温度が約６５℃、第２膨張タービン５３出口温度が約３．０℃である。第２膨張タービン５３で約０．３３ＭＰａから約０．１２ＭＰａに圧力降下させると、発電量は１．６ｋＷとなる。
【００４０】
燃料については、０．４ＭＰａで圧送され、冷却器５５入口温度が約２５℃、冷却器５５出口温度が約３２℃である。
【００４１】
上記では液体燃料としてエタノールを用いた場合の動作点の計算結果を示したが、他の燃料へ変更することができる。
【００４２】
一般にガスタービンシステムは、要求出力（発電機２４の発電量）が等しくなるように設計する。この場合には、ガスタービン装置２の発熱量がエタノールの場合と同じになるように、燃料の燃焼器２６への供給流量を制御することで、発電機２４の発電量を維持する。一例として、燃料をエタノールからディーゼル油（Ｃ２５）に変更する場合には、表１の低位発熱量から換算し、燃料供給量をエタノールの場合の０．７０倍になるように制御すればよい。
【００４３】
上記したように、単位時間当たりのガスタービン装置２に供給する燃料の発熱量が等しくなるように設定し、かつ、ガスタービン装置２への大気吸入量についても同じになるように設定することで発電機２４の発電量と、冷却流体生成装置５への抽気の温度を維持することができる。
【００４４】
冷却流体生成装置５における抽気冷却の温度制御は、冷却流体生成装置５内に循環する燃料流量によって熱伝達率を制御することで行うことができる。
【００４５】
次に、上記検討結果に基づき、電気自動車ならびに保冷車（中温：−５〜５℃）を構成する各要素に要求される能力について、例を挙げて検討する。なお、燃料としてはエタノールを使用するものとする。
【００４６】
（設計例１：電気自動車）
冷房空調能力：吹き出し量３５０ｍ3／ｈ、４５００Ｗ
暖房空調能力：吹き出し量４５０ｍ3／ｈ、５０００Ｗ
発電機定格出力：１５ｋＷ
設計例１では、電気自動車(１５００〜２０００ｃｃクラスの乗用車相当)の二次電池搭載量を１６ｋＷｈとし、この二次電池を１時間程で充電することを条件に、発電機定格出力を１５ｋＷとした。また、空調能力としては、冷房時は吹き出し空気量が３５０ｍ3／ｈで冷房能力４５００Ｗ、暖房時は吹き出し空気量が４５０ｍ3／ｈで暖房能力５０００Ｗである。
【００４７】
この場合、ガスタービン装置２の作動流体流量（第１圧縮機２１吸入流量）は、最小で０．１３５ｋｇ／ｓｅｃとなる。
【００４８】
また、総排気量が３０００ｃｃのトラックに上記結果を適用すると、発電機定格出力は約２倍の３０ｋＷであり、ガスタービン装置２の作動流体流量（第１圧縮機２１吸入流量）は、最小で０．２７ｋｇ／ｓｅｃとなる。
【００４９】
上記検討結果から、本実施形態のガスタービンシステム１Ａを電気自動車に適用可能であることが分かる。
【００５０】
（設計例２：中温用の保冷車）
冷凍能力：０℃、３０００Ｗ
発電機定格出力：３０ｋＷ
設計例２では、保冷車の保冷庫の空調への適用を検討する。上記したように設計例１で挙げた乗用車よりも空調能力（冷凍能力）が小さい。これは乗用車と較べて保冷庫の断熱性が良いこと、窓がないことによる日射量の影響がないためである。
【００５１】
保冷車を総排気量は３０００ｃｃ相当のトラックとすると、積載能力から考えて走行条件は乗用車よりも厳しくなり、電力消費が増大することが予想されるため、発電出力も増大させる必要がある。この場合、発電機定格出力３０ｋＷとし、ガスタービン装置２の作動流体流量（第１圧縮機２１吸入流量）０．２７ｋｇ／ｓｅｃとすることで、本実施形態のガスタービンシステム１Ａを保冷車に適用できることが分かる。
【００５２】
以上説明したように、本実施形態のガスタービンシステム１Ａでは、ガスタービン装置２から抜き出した抽気を燃料を用いて冷却することで、小型のシステムで冷熱を生成することができる。特に、本実施形態では、ガスタービン装置２に発電機２４があり、第２膨張タービン５３から吐出された空気の温度が温度調整手段（混合器６２および熱交換器７）で調整されるので、発電しながら空調を行うことができる。従って、ガスタービンシステム１Ａを例えば電気自動車に搭載すれば、電池への充電と空調の双方を実現することができる。
【００５３】
ところで、電気自動車などでは、効率的な暖房を行うために、車室内の空気を循環させながら加熱することが提案されている。しかし、車室内の空気には乗員から発生した水分が含まれているため、空気を循環させながら暖房を行うと、窓が曇ることがある。これに対し、本実施形態では、水分離器５６により除湿された空気が車室内に供給されるので、暖房時でも窓の曇りを防止でき、運転手の視界を確保することができる。また、図２に示すように、ガスタービン装置２に車室内の空気を取り込むための流路２０を設け、大気中の空気と車室内の空気とを混合させた混合気を第１圧縮機２１に吸入させることも可能である。このような構成にすれば、車室内の空気を除湿しながら暖房を行うこともできる。
【００５４】
また、図２の第１圧縮機２１へ車外の大気を取り込むための流路に図示しない流量調整弁を設けるとともに、流路２０に図示しない流量調整弁を設けることで、車外から取り込む大気の流量と車室内から取り込む空気の流量を調整することができる。かかる構成とすることで、大気温度と車室内の温度や湿度に基づいて２つの流量調整弁の開度を調整し、車室内空気の除湿を速やかに行うことができる。
【００５５】
（第２実施形態）
次に、図３を参照して、本発明の第２実施形態に係るガスタービンシステム１Ｂを説明する。なお、本実施形態では、第１実施形態と同一構成部分には同一符号を付して、その説明を省略する。
【００５６】
本実施形態では、燃料タンク３０に液体燃料が貯められており、燃料循環路３１に冷却器５５よりも上流側から分岐して燃焼器２６に至る分岐路３４が設けられている。具体的には、燃料循環路３１の冷却器５５よりも上流側に分配弁３３が設けられており、この分配弁３３に分岐路３４の上流端が接続されている。
【００５７】
本実施形態で使用される燃料は、大気圧下での沸点が低く、かつ過熱（スーパーヒート）時の蒸気圧力が高い燃料が好ましい。具体的には、ガスタービン装置２の熱効率、第２圧縮機５１の圧力比、および十分な燃料蒸気圧力を得るための必要過熱温度の観点から、メタノールやエタノールなどのアルコール燃料、またはアルコール燃料を含有するアルコール系混合燃料が好適である。ただし、上記の選定条件を満足する燃料であれば、ガソリンやディーゼル油などの従来から使用されている石油由来の既存燃料を使用してもよい。しかしながら、アルコール燃料は、石油由来の既存燃料よりも蒸発熱が大きく、抽気を冷却する能力が高いために、本実施形態にはアルコール燃料またはアルコール系混合燃料が特に好ましい。
【００５８】
また、冷却流体生成装置５には、冷却器５５よりも上流側に、第２圧縮機５１から吐出された空気によって分岐路３４を流れる燃料を気化する気化器５７が設けられている。
【００５９】
さらに、分岐路３４には、気化器５７よりも下流側に、蓄圧器３５と流量調整弁３６がこの順に設けられている。
【００６０】
次に、ガスタービンシステム１Ｂの動作を説明する。ガスタービン装置２の動作は、第１実施形態で説明した動作と同様である。
【００６１】
冷却流体生成装置５の動作は、次の２点を除き、第１実施形態で説明した動作と同様である。１点目は、第２圧縮機５１から吐出された空気が気化器５７に流入し、ここで分岐路３４を流れる燃料との熱交換により冷却される点である。２点目は、流量調整弁４１が、抽気の温度が第２圧縮機５１の圧力比および燃料の蒸発温度に基づいて決定される所定の温度となったときに開放される点である。
【００６２】
燃料循環路３１を流れる燃料は、分配弁３３により、冷却器５５を通って燃料タンク３０に戻る循環側と、気化器５７を通って燃焼器２６に供給される燃焼側とに分配される。燃焼側へ分配される流量は、燃焼器２６で燃焼に必要となる流量と同等またはそれよりも僅かに多い程度である。循環側へ分配される流量は、特に制限はなく、大流量とすることが可能である。このように分配率を決定することにより、小流量の燃料を速やかに気化させ、かつ、蒸気圧力を過熱状態まで高圧化できるとともに、蓄圧器３５に必要な容積を最小限化することができる。
【００６３】
循環側へ分配された燃料は、冷却器５５で加熱された後に燃料タンク３０に戻される。一方、燃料側へ分配された燃料は、気化器５７に流入する。気化器５７では、第２圧縮機５１から吐出された高圧の空気との熱交換によって燃料が気化し、さらに温度上昇して過熱状態になる。換言すれば、燃料は、蒸発熱により、第２圧縮機５１から吐出された高圧の空気の温度を低下させる。気化器５７から流出した燃料は、いったん蓄圧器３５に留められ、流量調整弁３６の設定に応じて、燃料自身の蒸気圧力により燃焼器２６内の圧力に抗して燃焼器２６内に流入する。
【００６４】
一般のガスタービン装置では液体燃料、気体燃料に依らず、燃料をポンプまたはコンプレッサで噴射可能な圧力まで昇圧して燃焼器に供給している。これに対し、本実施形態のガスタービンシステム１Ｂでは、燃料をポンプで噴射可能な圧力まで昇圧する必要はなく、燃料のガス化によって燃料を噴射可能な圧力まで昇圧することができる。すなわち、燃料噴射のための圧力源として、冷却流体生成装置５の気化器５７において空気から放出される熱を用いている。このような構成とすることで、開閉弁などの単純な機器で燃料噴射を実施することができる。
【００６５】
次に、一例として、燃料としてエタノール（大気圧下での沸点：７８℃）を用いた場合の動作点を示す。前提条件は、大気温度１５℃、大気圧０．１０３ＭＰａであり、エタノールの燃料種物性は表１に示した値を用いている。
【００６６】
ガスタービン装置２については、第１実施形態と同じである。冷却流体生成装置５については、気化器５７出口温度が約１２０℃である点を除き、第１実施形態と同じである。
【００６７】
燃料については、０．４ＭＰａで圧送され、冷却器５５および気化器５７入口温度が約２５℃、冷却器５５出口温度が約２６℃、気化器５７出口温度が約１２０℃である。分配率は、循環側が約９９％、燃焼側が約１％である。
【００６８】
なお、上述したように、本実施形態のガスタービンシステム１Ｂでは、第１実施形態のガスタービンシステム１Ａと同程度の出力が得られるので、第１実施形態で説明した設計例１および設計例２と同様に、電気自動車または保冷車に適用可能であることは言うまでもない。
【００６９】
本実施形態のガスタービンシステム１Ｂでは、燃料の潜熱を利用してガスタービン装置２から抜き出した抽気を冷却しているので、第１実施形態で気体燃料を用いた場合のような熱伝達率の低い気体対気体で熱交換する場合よりも小型の熱交換器を用いることができる。
【００７０】
また、燃料タンク３０に液体燃料を貯めつつも、気化した燃料を燃焼器２６に供給することができるため、燃料タンク３０の容積を小さくできる液体燃料のメリットと、燃焼器２６への燃料噴射機構等を簡易にできる気体燃料のメリットの双方を得ることができる。さらには、圧送ポンプ３１ａで燃料を燃焼器２６へ噴射可能な圧力まで昇圧する必要がないので、第１実施形態に比べて圧送ポンプ３１ａ動力を小さくすることができる。例えば、燃料としてエタノールを用いた場合、第１実施形態では１００Ｗ程度必要となる圧送ポンプ３１ａの動力を２２．５Ｗまで低減することができる。
【００７１】
また、ガスタービン装置２にて発電を行わない、すなわち燃料を燃焼させる必要がない場合であっても空調が必要なときは、分配弁３３による分配比を燃焼側を０％、循環側を１００％とすれば、不要な気化燃料の生成を停止させることができる。
【００７２】
＜変形例＞
前記第２実施形態では、抽気路４の他端が第１圧縮機２１の中間圧力位置に接続されている。ガスタービン装置２の熱効率を向上させるためには、第１圧縮機２１の動力を低減させることが有効である。これを実現するには、第１圧縮機２１による圧縮途中の空気を抜き出して抽気とすることが好ましい。
【００７３】
一方で、冷却流体生成装置５において第２膨張タービン５３から吐出される空気をより低温化するためには、第２圧縮機５１から吐出される空気の圧力が高い方が好ましい。このことから、ガスタービン装置２の熱効率よりも冷却流体生成装置５の冷気生成能力を重視する場合には、第１圧縮機２１による圧縮完了後の空気を抜き出して抽気としてもよい。具体的には、図４に示すように、抽気路４の他端（上流端）を第１圧縮機２１と再生熱交換器２７の間の流路に接続すればよい。
【００７４】
また、前記第２実施形態では、燃料側の熱伝達率を考慮して燃料循環路３１に燃料冷却器３２を設けている。ただし、燃料循環量が多量であるために燃料タンク３０内においても燃料流速が大きく、かつ、燃料タンク３０近傍に車両の走行によって生じる風Ｗを取り込める場合には、図５に示すように、燃料冷却器３２は、燃料タンク３０に貯められた燃料を冷却するように燃料タンク３０に設けられていてもよい。
【００７５】
なお、図４および図５に示す変形例は、第１実施形態にも適用可能である。
【００７６】
（その他の実施形態）
前記実施形態のガスタービンシステム１Ａ，１Ｂは、第２膨張タービン５３から吐出された空気の温度を混合器６２および熱交換器７で調整しているが、第２膨張タービン５３から吐出された空気の温度を調整する温度調整手段はこれに限られない。例えば、温度調整手段は、抽気路４にバイパス路を設け、抽気と第２膨張タービン５３から吐出された空気とを混合させる構成であってもよい。
【００７７】
また、温度調整手段を省略し、第２膨張タービン５３から吐出された空気を冷凍などの用途に直接利用することも可能である。あるいは、作動流体として空気を使用しない場合には、第２膨張タービン５３から吐出された作動流体を種々の用途の熱交換器に流入させてもよい。
【００７８】
前記実施形態では、第２膨張タービン５３が第２シャフト５２により第２圧縮機５１と連結されていたが、第２シャフト５２を分割し、第２圧縮機５１側に電動機、第２膨張タービン５３側に発電機を設け、第２圧縮機５１および第２膨張タービン５３をそれぞれ適した回転数で回転させることも可能である。
【００７９】
さらには、ガスタービン装置２から抜き出される空気の圧力が十分に高い場合は、第２圧縮機５１を省略することも可能である。ただし、第２圧縮機５１が在れば、第２膨張タービン５３における膨張比を高く確保することができる。
【００８０】
また、前記実施形態では、燃料冷却器３２が車両の走行によって生じる風によって燃料を冷却する構成を有していたが、ガスタービンシステム１Ａ，１Ｂが車両に搭載されない場合には、燃料冷却器３２は例えばファンなどであってもよい。
【００８１】
前記実施形態のガスタービンシステム１Ａ，１Ｂは、燃料以外は作動流体さえあれば冷熱を生成できるため、小型化が可能である。従って、車両の搭載に適しているだけでなく、定置式としても有用である。そして、ガスタービンシステム１Ａ，１Ｂの用途によっては、ガスタービン装置２が発電機２４を有していなくてもよい。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体を圧縮する第１圧縮機、前記第１圧縮機から吐出された作動流体中に燃料を噴射して燃焼させる燃焼器、第１シャフトにより前記第１圧縮機と連結され、前記燃焼器で発生した燃焼ガスを膨張させる第１膨張タービン、および、前記燃焼器に供給される燃料を貯める燃料タンク、を含むガスタービン装置と、
前記燃料タンクに貯められた燃料を循環させる燃料循環路と、
前記ガスタービン装置から抜き出された、前記第１圧縮機により昇圧された作動流体を圧縮する第２圧縮機、前記第２圧縮機から吐出された作動流体を前記燃料循環路を流れる燃料によって冷却する冷却器、および、前記冷却器から流出した作動流体を膨張させる第２膨張タービン、を含む冷却流体生成装置と、
を備えるガスタービンシステム。
【請求項２】
前記作動流体は、空気であり、
前記第２膨張タービンから吐出された空気の温度を調整する温度調整手段をさらに備える、請求項１に記載のガスタービンシステム。
【請求項３】
前記ガスタービン装置は、前記第１膨張タービンから吐出された燃焼ガスと前記燃焼器に流入する前の空気との間で熱交換を行う再生熱交換器をさらに含み、
前記温度調整手段は、前記第２膨張タービンから吐出された空気に大気中から取り込まれた空気を混合する混合器と、前記混合器から流出する空気と前記再生熱交換器から流出する燃焼ガスとの間で熱交換を行う熱交換器とを含む、請求項２に記載のガスタービンシステム。
【請求項４】
前記第２膨張タービンは、第２シャフトにより前記第２圧縮機と連結されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスタービンシステム。
【請求項５】
前記燃料タンクには、液体燃料が貯められており、
前記燃料循環路には、前記冷却器よりも上流側から分岐して前記燃焼器に至る分岐路が設けられ、
前記冷却流体生成装置は、前記第２圧縮機から吐出された作動流体によって前記分岐路を流れる燃料を気化する気化器をさらに含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載のガスタービンシステム。
【請求項６】
前記分岐路における前記気化器の下流側には、蓄圧器が設けられている、請求項５に記載のガスタービンシステム。
【請求項７】
前記冷却流体生成装置は、前記第２膨張タービンから吐出された作動流体から水分を分離する水分離器をさらに含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載のガスタービンシステム。
【請求項８】
前記燃料タンクに貯められた燃料または前記燃料循環路を流れる燃料を冷却する燃料冷却器をさらに備える、請求項１〜７のいずれか一項に記載のガスタービンシステム。
【請求項９】
前記ガスタービンシステムは、車両に搭載されるものであり、
前記燃料冷却器は、前記車両の走行によって生じる風によって燃料を冷却する、請求項８に記載のガスタービンシステム。
【請求項１０】
前記ガスタービン装置は、前記第１シャフトに連結された発電機をさらに含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載のガスタービンシステム。
【請求項１１】
前記燃料循環路は、前記発電機を経由するように構成されている、請求項１０に記載のガスタービンシステム。
【国際調査報告】
2011152049.tif 000011
2011152049.tif 000012
2011152049.tif 000013
2011152049.tif 000014
2011152049.tif 000015
2011152049.tif 000016